BK TP.HCM Kiến trúc Máy tính Khoa học & Kỹ thuật Máy tính Chương 2 Ngôn ngữ Máy: Tập lệnh
BK TP.HCM
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 3
Các bước thực hiện lệnh
Nạp lệnh: từ bộ nhớ
PC tăng lên sau mỗi lần nạp lệnh
PC lưu địa chỉ lệnh kế tiếp
Thực hiện lệnh: giải mã & thực hiện lệnh
BK TP.HCM
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 4
Tập các lệnh của 1 máy tính
Máy tính khác nhau có các tập lệnh khác nhau Tuy vậy, có thể có nhiều điểm giống nhau
Máy tính ở các thế hệ trước thường có tập lệnh rất đơn giản Lý do: dễ thực hiện
Một số máy tính hiện nay cũng có tập lệnh đơn giản
Tập lệnh (Instruction Set)
BK TP.HCM
Tập lệnh MIPS
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 5
Được sử dụng trong môn học này
Stanford MIPS được thương mại hóa bởi MIPS Technologies (www.mips.com)
Có thị phần lớn với lõi nhúng (embedded core)
Ứng dụng trong thiết bị điện tử, Mạng, lưu trữ, Camera, máy in, v.v., …
Đặc thù cho nhiều kiến trúc tập lệnh mới
Tham khảo MIPS Data tear-out card, và trong phụ lục B, E của sách giáo khoa
BK TP.HCM
Phép tính số học
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 6
Phép cộng (+) và trừ (-): 3 toán hạng 2 nguồn và 1 đích
add a, b, c # a = b + c
Các phép tính số học đều có dạng trên Nguyên tắc thiết kế 1: Đơn giản dễ tạo
tính quy tắc Tính quy tắc sẽ đơn giản hơn việc thực
hiện Đơn giản sẽ nâng hiệu xuất, giảm giá
thành.
BK TP.HCM
Ví dụ: thực hiện phép số học
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 7
C code:
f = (g + h) - (i + j);
Sau khi biên dịch thành MIPS code:
add t0, g, h # temp t0 = g + h add t1, i, j # temp t1 = i + j sub f, t0, t1 # f = t0 - t1
BK TP.HCM
Toán hạng là thanh ghi
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 8
Có nhiều lệnh số học sử dụng các thanh ghi làm toán hạng
MIPS có tệp 32 thanh ghi 32-bit Use for frequently accessed data
Đánh số từ 0 đến 31
32-bit dữ liệu được gọi là 1 “từ” (“word”)
Được đặt tên gợi nhớ (Ass. Names): $t0, $t1, …, $t9 chứa các giá trị tạm thời
$s0, $s1, …, $s7 chứa các biến
Nguyên tắc thiết kế 2: Càng nhỏ, càng nhanh Ngược lại với bộ nhớ chính: hàng triệu ô nhớ.
BK TP.HCM
Ví dụ: toán hạng thanh ghi
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 9
C code:
f = (g + h) - (i + j);
f, …, j chứa trong $s0, …, $s4
Sau khi biên dịch thành MIPS code:
add $t0, $s1, $s2 add $t1, $s3, $s4 sub $s0, $t0, $t1
BK TP.HCM
Toán hạng là bộ nhớ
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 10
Bộ nhớ chính dùng để lưu trữ toán hạng có cấu trúc Arrays, structures, dynamic data
Sử dụng cho các phép số học Nạp các giá trị từ bộ nhớ vào các thanh ghi Lưu giữ các kết quả trong thanh ghi ra bộ nhớ
Bộ nhớ được định vị theo đơn vị từng byte Mỗi địa chỉ định vị trí cho một 8-bit byte
1 từ được sắp xếp gồm 4 bytes trong bộ nhớ Địa chỉ truy xuất = Địa chỉ biểu diễn * 4 byte
MIPS chứa dữ liệu theo Big Endian Big Endian: Byte có giá trị lớn nằm ở địa chỉ thấp Little Endian: Byte có giá trị nhỏ nhất Địa chỉ
thấp
BK TP.HCM
Ví dụ 1: Toán hạng bộ nhớ
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 11
C code: g = h + A[8];
g chứa trong $s1, h trong $s2, địa chỉ cơ sở của A chứa trong $s3
Sau khi biên dịch thành MIPS code: Chỉ số 8 tương đương với độ dời 32
4 bytes/word
lw $t0, 32($s3) # Nạp 1 từ (4bytes)
add $s1, $s2, $t0
BK TP.HCM
Ví dụ 2: Toán hạng bộ nhớ
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 12
C code:
A[12] = h + A[8];
h chứa trong $s2, địa chỉ cơ sở của A chứa trong $s3
Sau khi biên dịch thành MIPS code:
Chỉ số 8 tương đương với độ dời 32
lw $t0, 32($s3) # Nạp 1 từ
add $t0, $s2, $t0 sw $t0, 48($s3) # Nhớ 1 từ
BK TP.HCM
So sánh toán hạng thanh ghi & bộ nhớ
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 13
Truy cập toán hạng thanh ghi nhanh hơn bộ nhớ
Thực hiện toán hạng thanh ghi cần nạp và cất dữ liệu cần nhiều lệnh thực hiện hơn
Trình biên dịch yêu cầu các biến chứa trong thanh ghi tối đa Chỉ chứa các biến trong bộ nhớ khi chúng
ít được dùng đến
Tối ưu thanh ghi rất quan trọng!
BK TP.HCM
Toán hạng trực tiếp
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 14
Các dữ liệu hằng trong 1 lệnh, như addi $s3, $s3, 4
Không tồn tại lệnh trừ với toán hạng trực tiếp (?????) Tương đương với cộng 1 số âm addi $s2, $s1, -1
Nguyên tắc thiết kế 3: Làm cho các trường hợp phổ biến thực hiện nhanh Hằng có giá trị nhỏ rất phổ biến Toán hạng trực tiếp trách được lệnh nạp
BK TP.HCM
Thanh ghi Hằng 0 (Zero)
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 15
Thanh ghi MIPS 0 ($zero) là hằng cố định có giá trị 0
Giá trị không thay đổi được
Có ích cho các tác vụ thường gặp như:
Ví dụ, gán giá trị một thanh ghi cho thanh ghi khác
add $t2, $s1, $zero # $t2 = $s1
BK TP.HCM
Số nguyên nhị phân không dấu
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 16
Cho 1 số n-bit, có dạng
Tầm vực giá trị sẽ là: 0 đến +2n – 1 Ví dụ:
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 10112 = 0 + … + 1×23 + 0×22 +1×21 +1×20 = 0 + … + 8 + 0 + 2 + 1 = 1110
Giá trị 1 số nhị phân không dấu 32-bit sẽ là: 0 đến +4,294,967,295 (giá trị thập phân)
BK TP.HCM
Số nguyên có dấu dạng bù 2
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 17
Cho 1 số n-bit như sau:
Tầm giá trị: –2(n – 1) đến +2(n – 1) – 1 Ví dụ:
1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 11002 = –1×231 + 1×230 + … + 1×22 +0×21 +0×20 = –2,147,483,648 + 2,147,483,644 = –410
Giá trị 1 số nhị phân có dấu 32-bit sẽ là –2,147,483,648 đến +2,147,483,647
BK TP.HCM
Số nguyên có dấu dạng bù 2 (tt.)
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 18
Bit 31 là bit dấu 1 có nghĩa là số âm (-)
0 có nghĩa là số không âm (+)
Dạng –(–2n – 1) không tồn tại
Các số không âm biểu diễn giống số không dấu và số bù 2
Vài số đặc biệt như: 0: 0000 0000 … 0000
–1: 1111 1111 … 1111
Số âm nhỏ nhất: 1000 0000 … 0000
Số dương lớn nhất: 0111 1111 … 1111
BK TP.HCM
Số âm có dấu
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 19
Đảo giá trị bit và cộng 1
Đảo giá trị bit: 1 → 0, 0 → 1
Ví dụ: giá trị (-) 2
+2 = 0000 0000 … 00102
–2 = 1111 1111 … 11012 + 1 = 1111 1111 … 11102
BK TP.HCM
Mở rộng bit với số có dấu
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 20
Biểu diễn với số bit nhiều hơn Dữ nguyên giá trị
Ví dụ: Trong tập lệnh MIPS addi: mở rộng số bit giá trị toán hạng trực tiếp
lb, lh: mở rộng số bit với byte/(1/2 từ) được nạp
beq, bne: mở rộng số bit của độ dời địa chỉ
Thêm giá bit dấu vào các bit mở rộng bên trái Đối với giá trị không dấu: gán 0s
Ví dụ: chuyển số 8-bit thành số 16-bit +2: 0000 0010 => 0000 0000 0000 0010
–2: 1111 1110 => 1111 1111 1111 1110
BK TP.HCM
Biểu diễn lệnh
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 21
Lệnh được mã hóa thành giá trị nhị phân
Gọi là mã máy
Các lệnh của MIP
Mã hóa thành từ lệnh 32-bit
Chia thành các phần nhỏ: Mã lệnh, thanh ghi, ..
Theo quy tắc!
Các thanh ghi MIP được đánh số:
$t0 – $t7 tương ứng với thanh ghi 8 – 15
$t8 – $t9 tương ứng với thanh ghi 24 – 25
$s0 – $s7 tương ứng với thanh ghi 16 – 23
BK TP.HCM
Các lệnh dạng R
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 22
Cấu trúc thành phần của lệnh dạng R
op: Mã lệnh (opcode)
rs: Chỉ số thanh ghi nguồn thứ nhất
rt: Chỉ số thanh ghi nguồn thứ nhì
rd: Chỉ số thanh ghi đích
shamt: Số bit dịch chuyển
funct: mã chức năng mở rộng (extends opcode)
op rs rt rd shamt funct
6 bits 6 bits 5 bits 5 bits 5 bits 5 bits
BK TP.HCM
Ví dụ: Lệnh dạng R
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 23
add $t0, $s1, $s2
special $s1 $s2 $t0 0 add
0 17 18 8 0 32
000000 10001 10010 01000 00000 100000
000000100011001001000000001000002 = 0232402016
BK TP.HCM
Biểu diễn số dạng hệ 16
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 24
Hệ số 16 Rút gọn cách biểu diễn chuỗi nhị phân
4 bits cho mỗi số hex
Ví dụ: eca8 6420 1110 1100 1010 1000 0110 0100 0010 0000
BK TP.HCM
Lệnh MIPS dạng I
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 25
Các lệnh số học trực tiếp hoặc lệnh nạp/cất rt: Thanh ghi đích hoặc nguồn
Nếu là hằng: –215 to +215 – 1
Nếu là địa chỉ: Độ dời + địa chỉ cơ sỏ chứa trong rs
Nguyên tắc thiết kế 4: Thiết kế tốt yêu cầu sự kết hợp hợp lý Nhiều dạng lệnh làm phức tạp giải mã, nhưng cho
phép lệnh chứa đồng nhất chỉ trong 32-bit
Giữ dạng lệnh càng giống nhau càng tốt
op rs rt constant or address
6 bits 5 bits 5 bits 16 bits
BK TP.HCM
Tổ chức chương trình
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 26
Lệnh được biểu diễn dạng nhị phân, giống như dữ liệu
Lệnh và dữ liệu được lưu trong bộ nhớ
Các chương trình có thể thực hiện trên các chương trình khác, ví dụ: compilers, linkers, …
Tương thích nhị phân cho phép chương trình thực hiện trên các máy khác nhau ISA chuẩn
BK TP.HCM
Tác tác vụ luận lý
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 27
Các lệnh xử lý bit
Có tác dụng rút trích hoặc thêm nhóm bit vào 1 từ
BK TP.HCM
Các tác vụ dịch (shift)
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 28
shamt: dịch vị trí các bits Dịch trái
Dịch trái các bit n vị trí và gán n bit bên phải giá trị 0
sll bởi i bits có nghĩa nhân 2i
Dịch phải Dịch phải các bit n vị trí và gán n bit bên trái
giá trị 0 srl bởi i bits có nghĩa chia 2i (chỉ không dấu)
op rs rt rd shamt funct
6 bits 6 bits 5 bits 5 bits 5 bits 5 bits
BK TP.HCM
Tác vụ “VÀ” (AND)
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 29
Dùng để đánh dấu các bits trong 1 từ
Chọn một số bits, xóa số còn lại về 0
and $t0, $t1, $t2
BK TP.HCM
Tác vụ “hoặc” (OR)
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 30
Thêm 1 số bit vào 1 từ
Gán giá trị 1 nhóm bit thành 1 trong khi giữ nguyên giá trị các bit còn lại
or $t0, $t1, $t2
BK TP.HCM
Các tác vụ “Not”
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 31
Có tác dụng đảo giá trị các bit trong 1 từ: đổi 0 thành 1, và 1 thành 0
MIPS có toán tử NOR với 3 toán hạng
a NOR b == NOT ( a OR b )
nor $t0, $t1, $zero Register 0: always read as zero
0000 0000 0000 0000 0011 1100 0000 0000 $t1
1111 1111 1111 1111 1100 0011 1111 1111 $t0
BK TP.HCM
Các tác vụ điều kiện
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 32
Rẽ nhánh đến 1 lệnh có nhãn, nếu điều kiện thỏa Nếu không thỏa, tiếp tục
beq rs, rt, L1 Nếu (rs == rt), nhảy đến lệnh có nhãn L1;
bne rs, rt, L1 Nếu (rs != rt), nhảy đến lệnh có nhãn L1;
j L1 Nhảy vô điều kiện đến lệnh có nhãn L1
BK TP.HCM
Biên dịch các phát biểu if
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 33
C code:
if (i==j) f = g+h; else f = g-h;
f, g, … chứa trong $s0, $s1, …
Sau khi biên dịch thành MIPS code:
bne $s3, $s4, Else add $s0, $s1, $s2 j Exit Else: sub $s0, $s1, $s2 Exit: …
BK TP.HCM
Biên dịch các phát biểu Loop
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 34
C code: while (save[i] == k) i += 1;
i chứa trong $s3, k trong $s5, địa chỉ của save chứa trong $s6
Sau khi biên dịch thành MIPS code: Loop: sll $t1, $s3, 2 add $t1, $t1, $s6 lw $t0, 0($t1) bne $t0, $s5, Exit addi $s3, $s3, 1 j Loop Exit: …
BK TP.HCM
Khối căn bản (Basic Blocks)
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 35
Một khối chứa tuần tự các lệnh, trong đó Không có rẽ nhánh đi (except at end) Không chứa địa chỉ đích đến (except at
beginning)
Biên dịch sẽ nhận biết khối này để tối ưu kết quả dịch
Tăng nhanh việc xử lý các lệnh trong khối này
BK TP.HCM
Các tác vụ kiểm tra điều kiện khác
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 36
Gán kết quả là 1, nếu điều kiện thỏa
Nếu không thỏa, gán là 0
slt rd, rs, rt
if (rs < rt) rd = 1; else rd = 0;
slti rt, rs, constant
if (rs < constant) rt = 1; else rt = 0;
Sử dụng kết hợp với lệnh beq, bne slt $t0, $s1, $s2 # if ($s1 < $s2) bne $t0, $zero, L # branch to L
BK TP.HCM
Thiết kế lệnh rẽ nhánh
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 37
Tại sao không có lệnh blt, bge, etc?
<, ≥, Thực hiện phần cứng chậm hơn =, ≠ Khi kết hợp với rẽ nhánh sẽ phải thực hiện
nhiều việc hơn yêu cầu xung đồng hồ
chậm hơn All instructions penalized! (không thống
nhất cho các lệnh)
beq và bne: trường hợp thường xảy ra
Đó là sự kết hợp tốt
BK TP.HCM
Dấu và Không dấu
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 38
So sánh có dấu: slt, slti
So sánh không dấu: sltu, sltui
Ví dụ
$s0 = 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111
$s1 = 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001
slt $t0, $s0, $s1 # có đấu
–1 < +1 $t0 = 1
sltu $t0, $s0, $s1 # không dấu
+4,294,967,295 > +1 $t0 = 0
BK TP.HCM
Gọi thủ tục
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 39
Các bước thực hiện gọi thủ tục
1. Chuyển thông số vào vị trí (thanh ghi)
2. Chuyển quyền điều khiển cho thủ tục
3. Nhận tài nguyên lưu trữ cho thủ tục
4. Thực hiện công việc của thủ tục
5. Chuyển kết quả vào vị trí (thanh ghi) để trả về cho chương trình gọi
6. Trở về chương trình gọi
BK TP.HCM
Ý đồ sử dụng các thanh ghi
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 40
$a0 – $a3: chứa thông số (reg’s 4 – 7)
$v0, $v1: giá trị trả về (reg’s 2 and 3)
$t0 – $t9: chứa giá trị tạm Có thể thay đổi nội dung khi thực hiện thủ tục
$s0 – $s7: bảo vệ Cất/khôi phục bởi thủ tục
$gp: Con trỏ toàn cục dữ liệu tĩnh (reg 28)
$sp: stack pointer (reg 29)
$fp: frame pointer (reg 30)
$ra: Địa chỉ trở về (reg 31)
BK TP.HCM
Lệnh gọi thủ tục
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 41
Gọi thủ tục: jump and link (jal)
jal ProcedureLabel
Địa chỉ lệnh kế chứa trong thanh ghi $ra
Nhảy đến địa chỉ đích
Trở về chương trình gọi: jump register
jr $ra
Sao giá trị của $ra vào PC
Có thể dùng nhảy theo điều kiện
Ví dụ: phát biểu case/switch
BK TP.HCM
Ví dụ: gọi thủ tục (leaf)
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 42
C code: int leaf_example (int g, h, i, j) { int f; f = (g + h) - (i + j); return f; }
Thông số g, …, j chứa trong $a0, …, $a3 f trong $s0 (vì vậy, $s0 cất trong stack) Kết quả trả về trong $v0
BK TP.HCM
Ví dụ: gọi thủ tục (tt.)
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 43
Sau khi biên dịch thành MIPS code: leaf_example: addi $sp, $sp, -4 sw $s0, 0($sp) add $t0, $a0, $a1 add $t1, $a2, $a3 sub $s0, $t0, $t1 add $v0, $s0, $zero lw $s0, 0($sp) addi $sp, $sp, 4 jr $ra
BK TP.HCM
Gọi thủ tục (Non-Leaf)
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 44
Thủ tục gọi thủ tục khác
Gọi đệ quy, thủ tục gọi phải cất vào stack thông tin:
Địa chỉ trở về của nó trong thủ tục “cha”
Tất cả các thông số và giá trị tạm thời
Phục hồi từ stack sau khi thủ tục kết thúc
BK TP.HCM
Ví dụ: gọi thủ tục (Non-Leaf)
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 45
C code:
int fact (int n) { if (n < 1) return f; else return n * fact(n - 1); }
Thông số n chứa trong $a0
Kết quả trả về chứa trong $v0
BK TP.HCM
Ví dụ: gọi thủ tục (Non-Leaf) tt.
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 46
Sau khi biên dịch thành MIPS code: fact:
addi $sp, $sp, -8 # adjust stack for 2 items sw $ra, 4($sp) # save return address sw $a0, 0($sp) # save argument slti $t0, $a0, 1 # test for n < 1 beq $t0, $zero, L1 addi $v0, $zero, 1 # if so, result is 1 addi $sp, $sp, 8 # pop 2 items from stack jr $ra # and return L1: addi $a0, $a0, -1 # else decrement n jal fact # recursive call lw $a0, 0($sp) # restore original n lw $ra, 4($sp) # and return address addi $sp, $sp, 8 # pop 2 items from stack mul $v0, $a0, $v0 # multiply to get result jr $ra # and return
BK TP.HCM
Cách lưu trữ trong Stack
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 47
Dữ liệu cục bộ được cấp phát tại thủ tục e.g., C automatic variables
Procedure frame (activation record) Compiler sử dụng để quản lý lưu trữ trong stack
BK TP.HCM
Bố cục chứa trong bộ nhớ
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 48
Text: mã lệnh chương trình
Dữ liệu tĩnh: biến toàn cục Ví dụ: static variables in C,
constant arrays and strings
$gp initialized to address allowing ±offsets into this segment
Dữ liệu động: heap E.g., malloc in C, new in Java
Stack: lưu trữ tự động
BK TP.HCM
Dữ liệu ký tự
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 49
Tập ký tự dạng Byte-encoded
ASCII: 128 Ký tự
95 graphic, 33 điều khiển
Latin-1: 256 Ký tự
ASCII, +96 ký tự graphics
Tập ký tự 32-bit dạng Unicode: Sử dụng trong Java, C++ wide characters, …
Chứa toàn bộ mã ký tự thế giới, cùng với symbols
UTF-8, UTF-16: variable-length encodings
BK TP.HCM
Nhóm các lệnh Byte/Halfword
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 50
Dùng cho các tác vụ xử lý theo bit
MIPS byte/halfword load/store
Xử lý chuỗi khá phổ biến
lb rt, offset(rs) lh rt, offset(rs)
Sign extend to 32 bits in rt
lbu rt, offset(rs) lhu rt, offset(rs)
Zero extend to 32 bits in rt
sb rt, offset(rs) sh rt, offset(rs)
Chỉ ghi phần giá trị thấp byte/halfword
BK TP.HCM
Ví dụ: Sao chuỗi (String Copy)
C code (naïve): Ký tự Null- đánh dấu kết thúc string
void strcpy (char x[], char y[]) { int i; i = 0; while ((x[i]=y[i])!='\0') i += 1; }
Địa chỉ của x, y chứa trong $a0, $a1 i chứa trong $s0
26-Jan-15 51 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính
BK TP.HCM
Ví dụ: String Copy (tt.)
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 52
Sau khi biên dịch thành MIPS code: strcpy: addi $sp, $sp, -4 # adjust stack for 1 item sw $s0, 0($sp) # save $s0 add $s0, $zero, $zero # i = 0 L1: add $t1, $s0, $a1 # addr of y[i] in $t1 lbu $t2, 0($t1) # $t2 = y[i] add $t3, $s0, $a0 # addr of x[i] in $t3 sb $t2, 0($t3) # x[i] = y[i] beq $t2, $zero, L2 # exit loop if y[i] == 0 addi $s0, $s0, 1 # i = i + 1 j L1 # next iteration of loop L2: lw $s0, 0($sp) # restore saved $s0 addi $sp, $sp, 4 # pop 1 item from stack jr $ra # and return
BK TP.HCM
Hằng 32-bit
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 53
Phần lớn các hằng hạn chế trong 16-bit
Đáp ứng đủ cho các toán hạng trực tiếp 16-bit
Với các Hằng lớn hơn (32-bit)
lui rt, constant
Sao 16-bit của hằng vào 16 bits bên trái của rt
Xóa 16 bits bên phải của rt về 0
0000 0000 0111 1101 0000 0000 0000 0000 lui $s0, 61
0000 0000 0111 1101 0000 1001 0000 0000 ori $s0, $s0, 2304
BK TP.HCM
Xác định địa chỉ rẽ nhánh
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 54
Dạng lệnh rẽ nhánh gồm:
Opcode, 2 thanh ghi, target address
Vị trí nhảy đến địa chỉ rẽ nhánh thường gần lệnh rẽ nhánh: nhảy tới hoặc lui
op rs rt constant or address
6 bits 5 bits 5 bits 16 bits
Tương đối với giá trị PC
Địa chỉ đích = PC + offset × 4
PC đã tăng lên 4, khi lệnh thực hiện
BK TP.HCM
Địa chỉ nhảy trực tiếp
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 55
Đích của lệnh Jump (j and jal) bất cứ
đâu trong đoạn lệnh chương trình
op address
6 bits 26 bits
(Pseudo) Địa chỉ đích
= PC31…28 : (address × 4)
BK TP.HCM
Ví dụ: Xác định địa chỉ đích
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 56
Sử dụng lại đoạn code vòng lặp trước đây
Giả sử Loop bắt đầu từ địa chỉ 80000
Loop: sll $t1, $s3, 2 80000 0 0 19 9 2 0
add $t1, $t1, $s6 80004 0 9 22 9 0 32
lw $t0, 0($t1) 80008 35 9 8 0
bne $t0, $s5, Exit 80012 5 8 21 2
addi $s3, $s3, 1 80016 8 19 19 1
j Loop 80020 2 20000
Exit: … 80024
BK TP.HCM
Rẽ nhánh xa
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 57
Trong trường hợp địa chỉ đích rẽ nhánh quá xa (vượt giá trị độ dời 16-bit), Hợp ngữ sẽ điều chỉnh lại code.
Ví dụ:
beq $s0,$s1, L1
↓
bne $s0,$s1, L2 j L1 L2: …
BK TP.HCM
Đồng bộ
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 59
Hai bộ xử lý dùng chung 1 vùng bộ nhớ
P1 ghi thông tin, sau đó P2 đọc
Có sự tranh chấp truy cập, nếu P1 & P2 không đòng bộ với nhau Kết quả không xác định được
Hỗ trợ phần cứng yêu cầu
Tác vụ Atomic đọc/ghi bộ nhớ
Không cho phép truy cập nào khác, khi xảy ra tác vụ đọc hoặc ghi
Các tác vụ thực hiện chỉ với 1 lệnh
Ví dụ: hoán vị register ↔ memory
Hoặc 1 cặp atomic lệnh
BK TP.HCM
Đồng bộ trong MIPS
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 60
Load linked: ll rt, offset(rs)
Store conditional: sc rt, offset(rs) Succeeds if location not changed since the ll
Returns 1 in rt
Fails if location is changed Returns 0 in rt
Ví dụ: atomic swap (to test/set lock variable) try: add $t0,$zero,$s4 ;copy exchange value
ll $t1,0($s1) ;load linked
sc $t0,0($s1) ;store conditional
beq $t0,$zero,try ;branch store fails
add $s4,$zero,$t1 ;put load value in $s4
BK TP.HCM
Lệnh giả trong hợp ngữ
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 61
Phần lớn lệnh trong hợp ngữ tương đồng 1-1 với lệnh mã máy
Lệnh giả (Pseudo): dễ nhớ, ví dụ
move $t0, $t1 → add $t0, $zero, $t1
blt $t0, $t1, L → slt $at, $t0, $t1
bne $at, $zero, L
$at (register 1): assembler temporary
BK TP.HCM
Tạo Object Module
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 63
Assembler (hoặc compiler) biên dịch chương trình ra lệnh máy
Thiết lập các thông tin để xây dựng 1 chương trình để có thể thực thi, bao gồm Header: đặc tả nội dung của object module
Text segment: các lệnh đã được biên dịch
Static data segment: dữ liệu được cấp phát cho chương trình trong suốt quá trình tực thi
Relocation info: định vị tuyệt đối của chương trình được nạp vào bộ nhớ
Symbol table: global definitions and external refs
Debug info: liên quan đến gỡ rối chương trình
BK TP.HCM
Liên kết các Object Modules
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 64
Linker: Còn gọi là link editor, cho phép ghép các object file
riêng lẻ lại với nhau thành một chương trình thống nhất có
thể thực thi được gọi là executable file
Quá trình ghép diễn ra theo 3 bước Xếp mã chương trình và dữ liệu lại với nhau
Xác định địa chỉ cho các nhãn chương trình và dữ liệu So trùng các
tham cứu nội và ngoại (internal/external reference)
Một executable file có các thành phần gần giống với object
file trừ các phần: relocation information, symbol table và
debugging information
Các object file, ngoài các chương trình do người dùng
(user) viết, còn có các trình con viết sẵn trong thư viện
(library) do compiler cung cấp, do người dùng tạo lập hay
từ các nguồn chuyên biệt
BK TP.HCM
Nạp một chương trình
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 65
Nạp tập tin thực thi trên đĩa vào bộ nhớ
1. Đọc header để xác định dung lượng các đoạn
2. Tạo không gian địa chỉ ảo
3. Khởi động dữ liệu trong bộ nhớ
4. Set up arguments on stack
5. Khởi động các thanh ghi (gồm $sp, $fp, $gp)
6. Nhảy tới đầu chương trình
Sao các thông số vào $a0, … và gọi main
Khi kết thúc trở về từ main, do exit syscall
BK TP.HCM
Liên kết động
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 66
Chỉ liên kết/nạp khi thủ tục được gọi
Yêu cầu phần code của thủ tục được cấp phát bộ nhớ
Tránh việc phát sinh cấp phát sinh ra bởi kết nối với thư viện
Tự động cập nhật phiên bản mới của thư viện
BK TP.HCM
Kết luận
26-Jan-15 Khoa Khoa học & Kỹ thuật Máy tính 67
Các nguyên tắc thiết kế 1. Simplicity favors regularity
2. Smaller is faster
3. Make the common case fast
4. Good design demands good compromises
Các lớp phần mềm/cứng Biên dịch, Hợp ngữ, Phần cứng
MIPS: là mô hình đặc thù kiến trúc tập lệnh RISC